Cáp HTS giúp tăng tốc độ truyền tải
điện năng
Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao
(high- temperature
superconductor –
HTS) có kh
ả năng truyền
dẫn điện cao gấp 10 lần
so với các loại cáp điện
truyền thống. Cáp HTS giờ
đây đ
ã sẵn sàng để giúp
giảm tắc nghẽn hệ thống
điện, đồng thời giảm chi
phí
l
ắp đặt và vận hành.
Kh
ắp nơi trên thế giới, các công ty điện lực đang phải đối phó với thách thức
phải truyền tải được nhiều điện hơn qua các lưới điện đô thị để đáp ứng nhu
cầu điện năng ngày một gia tăng của các khách hàng trong thế kỷ 21. Ngoài
ra, các công ty còn ph
ải bảo vệ người sử dụng điện khỏi sự tác động của các
quá dòng điện ngày càng lớn, tức là các dòng điện sự cố.
Đột phá về
công nghệ trong kỹ thuật cáp hứa hẹn giúp các công ty điện lực
khắc phục được cả hai vấn đề này. Loại cáp mới này sử dụng sợi siêu dẫn
nhiệt độ cao (HTS), mỏng như sợi tóc, có độ dẫn điện cao gấp 150 lần dây
đồng có c
ùng kích cỡ (Ảnh 1). Khi đặt vào trong cáp, sợi siêu dẫn này hoạt
động như một dây dẫn ho

tổn thất điện năng trong các mạch này, mặc dầu hệ thống làm lạnh phục vụ
cho hệ thống cáp HTS cũng làm giảm phần nào hiệu quả đem lại.
Cáp HTS có hai đặc tính khiến cho các y
êu cầu về chọn tuyến trở nên đơn
giản. Thứ nhất là cáp HTS gần như không phát ra từ trường, nhờ đó một mặt
giảm yêu cầu về hành lang tuyến, mặt khác không cần phải giảm công suất
cáp khi chúng được bố trí gần các đường cáp khác hay là các cơ sở hạ tầng
ngầm. Các lợi ích về môi trường và về quan hệ cộng đồng do việc không
phát ra từ trường cũng rất rõ ràng (không có cả điện trường, nhưng điều này
là đúng đối với tất cả các loại cáp). Thứ hai là vì cáp HTS nằm trong vỏ bọc
nhiệt độc lập do có hệ thống làm lạnh, nên không cần tính đến việc giảm
công suất cáp tùy theo phương pháp chôn cáp, độ sâu hoặc loại đất. Do đó,
cáp HTS là lý tưởng để lắp đặt ở các vị trí có hành lang tuyến bị hạn chế,
đặc biệt l
à khi cần phải truyền tải một lượng công suất lớn.
Một cải tiến quan trọng nữa trong thiết kế cáp HTS của công ty American
Superconductor là khả năng hạn chế dòng sự cố bên trong cáp. Cáp HTS sẽ
hoạt động như một dây dẫn có trở kháng cực thấp, dẫn dòng điện cường độ
lớn trong điều kiện vận hành bình thường và sau đó trở thành có điện trở cao
khi xảy ra sự cố, hạn chế dòng sự cố cường độ lớn.
Yêu cầu làm lạnh sâu
Một trong các đặc điểm khác thường nhất của cáp HTS là lõi của nó phải
được duy trì ở nhiệt độ lạnh sâu. Do đó, cáp HTS phải được thiết kế đặc biệt
để bao gồm cả một hệ thống l
àm lạnh sâu.
Tất cả các vật liệu siêu dẫn được biết tới hiện nay đều tồn tại ở một trong hai
trạng thái: Siêu dẫn hoặc không siêu dẫn. Để có khả năng siêu dẫn, các vật
liệu này phải hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn nào đó, ở
dòng điện nhỏ hơn một dòng điện tới hạn nào đó, ở từ trường yếu hơn một
từ trường tới hạn nào đó. Từ trường không phải là vấn đề trong các ứng

điện HTS đầu ti
ên trên thế giới trong một lưới điện thương mại. Hệ thống
cáp 138 kV của Nexans này dài gần nửa dặm (800 m) và là hệ thống cáp
HTS dài nhất và công suất lớn nhất hiện nay (Ảnh 3).
Hệ thống cáp công suất 574 MW này của LIPA có khả năng phục vụ
300.000 người dân v
à hộ kinh doanh ở các hạt Nassau và Suffolk thuộc bang
New York. Hệ thống truyền tải 138 kV này bao gồm ba pha cáp điện HTS
riêng rẽ chạy song song, được đưa vào hoạt động từ tháng 4/2008 và đang
hoạt động thành công trong hành lang tuyến Holbrook của LIPA (Ảnh 4).
Công ty Con Ed (New York City) đang tiến h
ành lắp đặt một cáp HTS 4.000
A, điện áp 13,8 kV, hạn chế d
òng điện sự cố ở khu trung tâm Manhattan.
Công ty Entergy đang trong giai đoạn thiết kế lắp đặt một cáp điện 2.000 A,
điện áp 13,8 kV ở v
ùng New Orleans.
Yêu cầu đặc biệt trong vận hành
Cáp HTS đòi hỏi phải cân nhắc một số vấn đề về vận hành mà đối với cáp
thông thường l
à không cần thiết. Công ty điện lực sẽ cần phải cho phép nhà
cung c
ấp hệ thống làm lạnh sâu được thường xuyên vào trạm để bảo dưỡng
định kỳ. Nếu sử dụng cáp HTS hạn chế d
òng sự cố, thì có thể phải chú ý hơn
tới sự thay đổi các đặc tính trở kháng thấp/trở kháng cao của cáp khi thiết
lập sơ đồ rơle bảo vệ. Ngược lại, cáp HTS lại không đòi hỏi phải giảm công
suất theo mức phụ tải, nơi lắp đặt hay nhiệt độ xung quanh.
Theo ông McCall, cáp HTS có thể được sử dụng ở mọi chỗ trong hệ thống
truyền tải điện. Hệ thống cáp HTS bao gồm cáp, đầu cáp, hệ thống làm lạnh

ệ thống làm lạnh, v.v., do đó cũng giảm xuống, làm
tăng giá trị kinh tế của hệ thống này.
Các
ứng dụng đầu tiên của cáp HTS sẽ là những công trình có giá trị rất cao.
Ban đầu, cáp HTS sẽ có sức cạnh tranh cao nhất về chi phí đối với các ứng
dụng ở khu vực đô thị, công suất lớn, bị hạn chế về hành lang tuyến. Một khi
giá thành sản xuất giảm, tính cạnh tranh về tài chính của cáp HTS trong lĩnh
vực ứng dụng đa dạng hơn nhiều cũng sẽ tăng, bao gồm các ứng dụng truyền
tải điện trên khoảng cách ngắn và trung bình là những lĩnh vực mà cáp ngầm
có điện áp cao hơn đang được triển khai hiện nay.
Hệ thống làm lạnh sâu cho cáp HTS.
Nhìn vào thực tế
Trong vài thập niên tới, lưới điện của Mỹ sẽ trải qua một giai đoạn đầu tư và
thiết kế lại quan trọng. Nhu cầu mở rộng thêm hệ thống truyền tải điện để
kết nối các nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào hệ thống điện là quá rõ
ràng. Dù đơn giản là do tăng dân số, hay do các sự kiện thay đổi trong công
nghiệp như việc sử dụng trên qui mô lớn các loại xe lai - nạp điện từ điện
lưới (hybrid
-plug in vehicle), phụ tải sẽ tiếp tục tăng trưởng đáng kể tại các
khu đô thị có mật độ dân số cao, đ
òi hỏi cũng phải tăng khả năng truyền tải
lên rất nhiều cho phía phụ tải của mạng điện.
Theo ông McCall, thách thức lớn nhất hiện nay đối với việc mở rộng sử
dụng hệ thống cáp HTS là vấn đề giáo dục và nhận thức trong ngành. Tại
các công ty điện lực, phần lớn nhân viên liên quan tới việc lên kế hoạch
hằng ngày và thiết kế kỹ thuật dự án không hề biết đến các đặc tính có một
không hai của cáp HTS hay sự có tồn tại của loại cáp này. Có thể khẳng định
là ở phần lớn các công ty điện lực, ít nhất là có một dự án hoặc một vấn đề
mà HTS có thể được coi là giải pháp khả thi, nếu không nói là nên chọn.
Việc ứng dụng rộng rãi chỉ có thể xảy ra một khi cáp HTS trở thành một